UNIST发现可持续“纳米晶体双向光开关”现象

Published 01 Jun.2023 00:00(KST)

Updated 07 Aug.2025 09:00(KST)

open/close

UNIST化学系Seo Youngdeok教授团队发现了将在量子计算时代使用的“3D光量子存储器”源头技术——可持续“纳米晶体双向光开关”现象及其原理。

这一成果于5月31日（英国伦敦当地时间下午4时，韩国时间6月1日凌晨0时）在线发表于国际顶级学术期刊《自然》（Nature，影响因子：69.504）。

UNIST表示，通过本次研究，光雪崩纳米颗粒（ANP）有望在3D光量子存储器以及生物·纳米探针、超分辨纳米镜等领域引领新的发展。

研究团队早在2021年1月就曾发现，由掺杂镧系金属的光雪崩纳米颗粒中，因超微细纳米晶体内部的链式放大反应而产生的极其强烈发光的光雪崩现象及相关光雪崩纳米颗粒材料，该研究被选为《自然》杂志封面论文。

当时参与研究的Columbia University博士后研究员Lee Changhwan诱导光雪崩纳米颗粒发生链式反应，使其发出极度放大的光。

在上述研究的基础上，本次应用研究确认了光雪崩纳米晶体具有新的特性和应用方向。也就是说，研究发现了可以被人为、无限次重复开关控制的光开关现象，以及该现象在“3D光量子存储器”中的应用潜力。

有机染料和荧光蛋白此前被广泛用于光学存储、纳米图案化、生物成像等多种应用领域。

然而，这些荧光分子在受光照射时会随机闪烁，并最终完全褪色消失，存在寿命短这一致命缺陷。这一过程被称为“光漂白（Photobleaching）”现象。

多种纳米图案的反复写入与擦除实验结果（左），以及用于实现纳米晶体光开关的超分辨率纳米成像。

与这些荧光分子的光漂白现象不同，掺杂镧系金属的纳米颗粒表现出异常优异的光稳定性。

研究团队在今日发表于《自然》的论文《可无限持续的双向近红外纳米晶体光开关（Indefinite and bidirectional near-infrared nanocrystal photoswitching）》中表示，已成功实现对这种光稳定性的目标控制。

在使用近红外光、且未出现热变性的前提下，研究人员在多种周围环境和水环境中，对纳米晶体的点亮与熄灭进行了数千次以上的重复测试。

Columbia University博士后研究员Lee Changhwan表示：“我们使用简单的小型激光器，就能用一种波长的光来控制光，再用另一种波长将光进行转换。需要关注的是，近红外光在最大限度降低光毒性和光散射的同时，仍能对包括生物组织和无机化学物质在内的各种物质实现深度穿透。”

此外，研究团队还围绕潜在应用领域，通过实验确认了粒子在3D基板上反复写入和抹除纳米图案的重复图案，可以通过何种方式加以利用。

化学系教授Seo Youngdeok表示：“这种可无限重复的双向光开关，今后将发展成为用于存储超高性能量子计算机所产生海量数据的光量子存储器装置。它不仅具备巨大的数据存储容量，而且能够以更快、更准确、更精密的方式运行。”

UNIST 徐英德教授。

研究团队认为，截至目前在研究中观察到的光开关现象，其根源在于极其微小、即便利用先进透射电子显微镜（TEM）也无法可视化的“原子晶体缺陷（Atomic Crystal Defect）”。

正是由于这些原子晶体缺陷，才能将光雪崩纳米晶体的光雪崩阈值向更高或更低移动，并通过使用不同波长的光来增加或降低信号亮度。

研究团队目前正围绕光量子存储器、超分辨纳米镜、生物·纳米成像、生物传感器等领域的潜在应用展开研究。

除此之外，研究团队还计划结合机器学习和计算模型，在Berkeley实验室的Molecular Foundry使用“纳米颗粒合成机器人”，进一步提升这些晶体的性能。

能否合成出具有类似光转换特性的其他纳米颗粒，也将成为今后后续研究的目标之一。

本研究得到了科学技术信息通信部韩国研究财团全球研究室项目、UNIST科研启动基金项目、基础科学研究院多维碳材料研究团项目等的资助。

本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。